JP6482959B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、記憶装置に関し、特に、抵抗変化素子を用いた半導体記憶装置に適用可能な技術である。   The present invention relates to a memory device, and in particular, is a technique applicable to a semiconductor memory device using a resistance change element.

不揮発性メモリの一つに、抵抗変化素子における低抵抗状態(On状態)と高抵抗状態(Off状態)との抵抗値の違いを利用した抵抗変化型メモリ(ReRAM)がある。   One type of nonvolatile memory is a resistance change memory (ReRAM) that utilizes a difference in resistance value between a low resistance state (On state) and a high resistance state (Off state) of a resistance change element.

ReRAMにおける書込み動作の安定性や信頼性、メモリ保持特性などを向上させる技術として、例えば、特許文献1(特許第4838399号公報)には、第1電圧のパルスが印加されると第1抵抗状態から第2抵抗状態へと変化し、第1電圧とは極性が異なる第2電圧のパルスが印加されると第2抵抗状態から第1抵抗状態へと変化する特性を有する抵抗変化型素子に対して、第1抵抗状態から第2抵抗状態に変化させるときに、少なくとも、第1電圧のパルスと、第2電圧よりも電圧の絶対値が小さく、かつ、第2電圧と極性が等しい第3電圧のパルスと、第1電圧のパルスとを、この順で印加する手法が記載されている。   As a technique for improving the stability and reliability of the write operation in ReRAM, memory retention characteristics, and the like, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4838399), the first resistance state is applied when a pulse of the first voltage is applied. A resistance variable element having a characteristic that changes from a second resistance state to a first resistance state when a pulse of a second voltage having a polarity different from that of the first voltage is applied. Thus, when changing from the first resistance state to the second resistance state, at least a pulse of the first voltage and a third voltage having an absolute value smaller than the second voltage and having the same polarity as the second voltage. And a method of applying a first voltage pulse in this order.

また、特許文献2(特許第5250726号公報)には、抵抗変化型素子を第1抵抗状態から第2抵抗状態に変化させるためのステップとして、弱書込みステップと、それに続く通常書込みステップとを含み、弱書込みステップでは、抵抗変化型素子に対して第1電圧と同極性で絶対値が異なる第3電圧のパルスを印加することによって第2抵抗状態にした後に、第2電圧と同極性で絶対値が第2電圧および第3電圧よりも小さい第4電圧のパルスを印加することによって第1抵抗状態と第2抵抗状態の間の抵抗値をもつ中間抵抗状態に遷移させ、通常書き込みステップでは、抵抗変化型素子に対して第1電圧のパルスを少なくとも1回印加することによって中間抵抗状態から第2抵抗状態に遷移させる手法が記載されている。   Patent Document 2 (Japanese Patent No. 5250726) includes a weak write step and a subsequent normal write step as steps for changing the resistance variable element from the first resistance state to the second resistance state. In the weak writing step, after the third resistance pulse is applied to the resistance variable element by applying a pulse of a third voltage having the same polarity as the first voltage but different in absolute value, the absolute voltage having the same polarity as the second voltage is applied. Transition to an intermediate resistance state having a resistance value between the first resistance state and the second resistance state by applying a pulse of a fourth voltage whose value is smaller than the second voltage and the third voltage, A technique is described in which a transition from the intermediate resistance state to the second resistance state is performed by applying a pulse of the first voltage to the resistance variable element at least once.

特許第4838399号公報Japanese Patent No. 4838399 特許第5250726号公報Japanese Patent No. 5250726

ReRAMにおける性能向上のためにメモリウィンドウ(On状態の抵抗値であるOn抵抗とOff状態の抵抗値であるOff抵抗との比)を広げるには、Off状態とする書込み(Off書込み)の際の条件を強くして(例えば、Off書込みの際に印加するパルス電圧の振幅を大きくする、パルス幅を長くする、パルス電流を大きくする、等)、Off抵抗を高抵抗化することが有効である。しかしながら、Off書込みの条件を過度に強くした場合、その後にOn状態に遷移させたときのOn状態の保持特性が劣化する傾向がある。すなわち、メモリウィンドウの確保と、On状態の保持特性にはトレードオフの関係が存在する。   In order to increase the memory window (ratio of the On resistance that is the resistance value of the On state and the Off resistance that is the resistance value of the Off state) in order to improve the performance in the ReRAM, the writing in the Off state (Off writing) It is effective to increase the Off resistance by increasing the conditions (for example, increasing the amplitude of the pulse voltage applied during Off writing, increasing the pulse width, increasing the pulse current, etc.). . However, when the off-write condition is excessively increased, the on-state retention characteristic when the state is subsequently changed to the on-state tends to deteriorate. That is, there is a trade-off relationship between securing the memory window and holding characteristics of the On state.

この点、例えば、特許文献1に記載された技術では、書込み後の抵抗の安定性を高め、ベリファイ(Verify)成功率を向上させることを目的として、1回目の第1電圧のパルスに重ねて2回目の第1電圧のパルスを印加する前に、これとは逆極性の第3電圧のパルスを印加している。一方で、この場合に書込み後の保持特性を考慮すると、第1電圧のパルスを長くする必要性が生じ、その結果、長いパルスを重ねて印加することになるため、書込み時間や書込みエネルギーが増大し得るという課題を有する。   In this regard, for example, in the technique described in Patent Document 1, for the purpose of improving the stability of resistance after writing and improving the verification success rate, it is superimposed on the first pulse of the first voltage. Before applying the second pulse of the first voltage, the third voltage pulse having the opposite polarity is applied. On the other hand, considering the retention characteristics after writing in this case, it becomes necessary to lengthen the pulse of the first voltage, and as a result, a long pulse is repeatedly applied, so that the writing time and writing energy increase. It has the problem of being able to.

また、例えば、特許文献2に記載された技術では、弱書込みステップにおいて印加する第3電圧のパルスと、通常書込みステップにおいて印加する同極性の第1電圧のパルスとにおいて、消費電力低減の観点から、第3電圧の絶対値を第1電圧よりも小さくすることが主に想定されている。この場合、例えば、低抵抗化(On書込み)の際に、低抵抗状態(抵抗変化素子において導電性のフィラメントがつながった状態)となる確率・程度が低下することで、保持不良の修復機能が低下し、十分な効果が得られない場合があるという課題を有する。   Further, for example, in the technique described in Patent Document 2, the third voltage pulse applied in the weak write step and the first voltage pulse of the same polarity applied in the normal write step are used from the viewpoint of power consumption reduction. The absolute value of the third voltage is mainly assumed to be smaller than the first voltage. In this case, for example, when the resistance is lowered (on writing), the probability and degree of the low resistance state (the state in which the conductive filament is connected in the resistance change element) is reduced, so that the repair function of the retention failure is achieved. It has the subject that it may fall and sufficient effect may not be acquired.

すなわち、本願の課題は半導体記憶装置の信頼性を向上させることにある。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   That is, an object of the present application is to improve the reliability of the semiconductor memory device. Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態による半導体記憶装置は、抵抗変化素子を含むメモリセルと、前記メモリセルに対して、前記メモリセルの状態を前記抵抗変化素子の抵抗値が第1の基準値未満である第1の抵抗状態とするために第1の書込みパルスを印加する第1の書込み処理と、第2の基準値以上である第2の抵抗状態とするために前記第1の書込みパルスと逆極性の第2の書込みパルスを印加する第2の書込み処理と、を行うことが可能な制御回路と、を有するものである。前記制御回路は、前記第1の書込み処理において、前記メモリセルに対して前記第1の書込みパルスを印加する前に、前記第1の書込みパルスと同極性で、前記第1の書込みパルスよりパルス幅が短い第1のパルスと、前記第2の書込みパルスと同極性の第2のパルスと、をこの順で印加する。   A semiconductor memory device according to an embodiment includes: a memory cell including a resistance change element; and a first resistance value of the resistance change element that is less than a first reference value relative to the memory cell. A first write process for applying a first write pulse to achieve a resistance state of the second and a second resistance state having a polarity opposite to that of the first write pulse to obtain a second resistance state equal to or greater than a second reference value. And a control circuit capable of performing a second writing process in which two writing pulses are applied. The control circuit has the same polarity as the first write pulse and a pulse from the first write pulse before applying the first write pulse to the memory cell in the first write process. A first pulse having a short width and a second pulse having the same polarity as the second write pulse are applied in this order.

上記一実施の形態によれば、半導体記憶装置の信頼性を向上させることができる。特に、抵抗変化素子からなる半導体記憶装置において、メモリウィンドウを確保しつつ、On状態の保持特性を向上させることができる。   According to the above embodiment, the reliability of the semiconductor memory device can be improved. In particular, in a semiconductor memory device composed of resistance change elements, it is possible to improve on-state retention characteristics while securing a memory window.

バイポーラ型ReRAMで用いる抵抗変化素子の構造例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the structural example of the resistance change element used with bipolar type ReRAM. メモリセルの構成例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the structural example of the memory cell. ReRAMにおけるメモリセルアレイの構成例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the structural example of the memory cell array in ReRAM. メモリセルをOn状態とする書込みおよびOff状態とする書込みを行う際のそれぞれの通常の印加電圧の波形例を示した図である。It is the figure which showed the example of a waveform of each normal applied voltage at the time of performing the write which makes the memory cell an On state, and the write which makes an Off state. 本発明の実施の形態1におけるメモリセルをOn状態とする書込みおよびOff状態とする書込みを行う際のそれぞれの印加電圧の波形例を示した図である。It is the figure which showed the example of a waveform of each applied voltage at the time of writing which makes the memory cell in Embodiment 1 of this invention the write which makes an On state, and an Off state. 本発明の実施の形態1における書込みおよび読込みのシーケンスの具体例を示した図である。It is the figure which showed the specific example of the sequence of writing and reading in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるOn書込み方式による場合と従来方式による場合のOn抵抗とOff抵抗の分布状況の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the distribution condition of the On resistance and the Off resistance in the case where it is based on the case where it is based on the on-writing system in Embodiment 1 of this invention, and a conventional system. 本発明の実施の形態1におけるOn書込み方式による場合と従来方式による場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the retention characteristic of the On state in the case where it is based on the case where it is based on the case of the On writing system in Embodiment 1 of this invention and a conventional system. 本発明の実施の形態1におけるOn書込み方式において試行パルスと主パルスのパルス幅を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the holding | maintenance characteristic of the On state at the time of changing the pulse width of a trial pulse and a main pulse in the On writing system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるOn書込み方式において試行パルスの電圧を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the retention characteristic of the On state at the time of changing the voltage of a trial pulse in the On writing system in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における抵抗変化素子の動作および効果の例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the example of operation | movement and the effect of a resistance change element in Embodiment 2 of this invention. (a)、(b)は、本発明の実施の形態2における試行パルスの条件を変えた場合の抵抗変化素子の動作および効果の例について概要を示した図である。(A), (b) is the figure which showed the outline | summary about the example of operation | movement and an effect of a resistance change element at the time of changing the conditions of the trial pulse in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるOn書込み方式のシーケンスと試行パルスおよびリセットパルスの繰り返し回数を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the holding | maintenance characteristic of the On state at the time of changing the repetition frequency of the sequence and trial pulse of the On write system in Embodiment 3 of this invention, and a reset pulse. 本発明の実施の形態4におけるOn書込み方式のシーケンスの例を示した図である。It is the figure which showed the example of the sequence of the On write system in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5におけるOn書込みおよびOff書込みを行う際のそれぞれの印加電圧の波形例を示した図である。It is the figure which showed the example of a waveform of each applied voltage at the time of performing On write and Off write in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6における抵抗変化素子の構造および動作の例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the example of the structure and operation | movement of a resistance change element in Embodiment 6 of this invention. クロスポイント型ReRAMのメモリセルの構成例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the structural example of the memory cell of crosspoint type | mold ReRAM. クロスポイント型ReRAMにおけるメモリセルアレイの構成例について概要を示した図である。It is the figure which showed the outline | summary about the structural example of the memory cell array in crosspoint type | mold ReRAM.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

上述したように、ReRAMに対する書込みにおいて、メモリウィンドウの確保と、On状態の保持特性にはトレードオフの関係が存在する。ここで、本願の発明者らは、On書込みの際に、最初に短時間のOnパルスを印加した後、Off書込みの際のパルスと同極性(すなわち、Onパルスとは逆極性)で、絶対値の小さいパルスを印加し、その後、より長時間のOnパルスを印加するシーケンスをとることで、メモリウィンドウを確保しつつ、On状態の保持特性を改善できることを見出した。   As described above, in writing to the ReRAM, there is a trade-off relationship between securing the memory window and holding characteristics of the On state. Here, the inventors of the present application first applied a short On pulse at the time of On writing, and then had the same polarity as that of the pulse at Off writing (that is, the polarity opposite to the On pulse). It has been found that the on-state retention characteristic can be improved while securing the memory window by applying a sequence of applying a pulse having a small value and then applying a longer On pulse.

そこで、以下に示す実施の形態では、抵抗変化素子を不揮発記憶素子として用いる抵抗変化型メモリ、特に、低抵抗化書込み(On書込み)と高抵抗化書込み(Off書込み)で極性の異なるパルスを印加するバイポーラ型ReRAMに対するOn書込みの際に、上記のシーケンスをとることで、メモリウィンドウを確保しつつ、On状態の保持特性を改善して、ReRAMの性能を向上させる。   Therefore, in the embodiment shown below, a resistance change type memory using a resistance change element as a nonvolatile memory element, in particular, pulses with different polarities are applied in low resistance write (On write) and high resistance write (Off write). When the On-write is performed on the bipolar type ReRAM, the above sequence is taken to improve the On-state retention characteristics while securing the memory window, thereby improving the ReRAM performance.

(実施の形態1)
図1は、バイポーラ型ReRAMで用いる抵抗変化素子の構造例について概要を示した図である。抵抗変化素子VRは、抵抗変化層VRLが金属層M1と金属層M2とによって挟まれている構成を有し、金属層M1と金属層M2がそれぞれ第1の電極と第2の電極を成している。金属層M1を基準に金属層M2に正の電圧を印加することで抵抗変化層VRLを低抵抗状態(On状態)に変化させ、金属層M2を基準に金属層M1に正の電圧を印加することで抵抗変化層VRLを高抵抗状態(Off状態)にそれぞれ変化させることができる。On状態とOff状態をそれぞれ0と1または1と0に対応させることで、1ビットの情報を記憶する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a structural example of a variable resistance element used in a bipolar ReRAM. The resistance change element VR has a configuration in which the resistance change layer VRL is sandwiched between the metal layer M1 and the metal layer M2, and the metal layer M1 and the metal layer M2 form a first electrode and a second electrode, respectively. ing. The resistance change layer VRL is changed to a low resistance state (On state) by applying a positive voltage to the metal layer M2 with reference to the metal layer M1, and a positive voltage is applied to the metal layer M1 with reference to the metal layer M2. Thus, the resistance change layer VRL can be changed to the high resistance state (Off state). One-bit information is stored by making the On state and Off state correspond to 0 and 1 or 1 and 0, respectively.

抵抗変化層VRLは、例えば、金属酸化物(例えば、タンタル酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、またはハフニウム酸化物)により形成されている。この場合、抵抗変化層VRLは、単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。抵抗変化層VRLが積層膜である場合、抵抗変化層VRLは、例えば、元素の種類の組み合わせが互いに異なる積層膜であってもよいし、元素の種類の組み合わせが互いに同一の積層膜であってもよい。この場合、積層膜の各層の酸素組成比が互いに異なる。なお、抵抗変化層VRLの膜厚は、例えば、1.5nm以上30nm以下である。金属層M1および金属層M2は、それぞれ、例えば、ルテニウム、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、パラジウム、または白金などにより形成されている。   The resistance change layer VRL is formed of, for example, a metal oxide (for example, tantalum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, or hafnium oxide). In this case, the resistance change layer VRL may be a single layer film or a laminated film. When the resistance change layer VRL is a laminated film, the resistance change layer VRL may be, for example, a laminated film having a different combination of element types, or a laminated film having the same combination of element types. Also good. In this case, the oxygen composition ratios of the layers of the laminated film are different from each other. The film thickness of the resistance change layer VRL is, for example, not less than 1.5 nm and not more than 30 nm. The metal layer M1 and the metal layer M2 are each formed of, for example, ruthenium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, tungsten, palladium, or platinum.

図2は、ReRAMにおけるメモリセルの構成例について概要を示した図である。メモリセルMCは、図1に示した抵抗変化素子VRと、MOS(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタからなる選択トランジスタTRとを組み合わせて構成することができる。選択トランジスタTRは、ビット線BLとプレート線PLの間の電位差を抵抗変化素子VRに印加するか遮断するかを制御する選択トランジスタである。   FIG. 2 is a diagram showing an outline of a configuration example of a memory cell in the ReRAM. The memory cell MC can be configured by combining the resistance change element VR shown in FIG. 1 and a selection transistor TR formed of a MOS (Metal-Oxide Semiconductor) transistor. The selection transistor TR is a selection transistor that controls whether a potential difference between the bit line BL and the plate line PL is applied to or cut off from the resistance change element VR.

抵抗変化素子VRは、一方の端子がプレート線PLに、他方の端子が選択トランジスタTRを介してビット線BLにそれぞれ接続され、また、選択トランジスタTRのゲートはワード線WLに接続されている。ビット線BLの電位とプレート線PLの電位のいずれを他方より高電位とするかによって、抵抗変化素子VRに印加する電圧の極性を切り替えることができる。   The resistance change element VR has one terminal connected to the plate line PL, the other terminal connected to the bit line BL via the selection transistor TR, and the gate of the selection transistor TR connected to the word line WL. The polarity of the voltage applied to the resistance change element VR can be switched depending on which of the potential of the bit line BL and the potential of the plate line PL is higher than the other.

金属層M1と金属層M2のいずれをビット線BLに接続するかは特に限定されないが、以下では、金属層M1がビット線BLと接続されているものとして説明する。また、選択トランジスタTRは、Nチャネル型もしくはPチャネル型のいずれであるかは限定されないが、以下では、ゲートに正電圧を印加することでソースとドレインとが導通するNチャネル型であるものとして説明する。なお、Pチャネル型の場合は、ゲートに負電圧を印加することでソースとドレインとが導通する。   Which of the metal layer M1 and the metal layer M2 is connected to the bit line BL is not particularly limited, but in the following description, it is assumed that the metal layer M1 is connected to the bit line BL. In addition, the selection transistor TR is not limited to the N-channel type or the P-channel type, but in the following, it is assumed that the selection transistor TR is an N-channel type in which a source and a drain are electrically connected by applying a positive voltage to the gate. explain. In the case of the P-channel type, the source and the drain are made conductive by applying a negative voltage to the gate.

図3は、ReRAMにおけるメモリセルアレイの構成例について概要を示した図である。メモリセルアレイMCAは、図2に示したメモリセルMCをマトリクス状に配置することで構成することができる。図3に示したメモリセルアレイMCAの例では、4行×4列のマトリクスからなる16ビットの記憶容量を有する構成であるが、アレイの行や列を適宜増やすことによってより大きな記憶容量を実現することができる。   FIG. 3 is a diagram showing an outline of a configuration example of a memory cell array in the ReRAM. The memory cell array MCA can be configured by arranging the memory cells MC shown in FIG. 2 in a matrix. The example of the memory cell array MCA shown in FIG. 3 has a 16-bit storage capacity composed of a matrix of 4 rows × 4 columns, but a larger storage capacity is realized by appropriately increasing the number of rows and columns in the array. be able to.

各メモリセルMCは、ワード線WL0〜WL3と、ビット線BL0〜BL3およびプレート線PL0〜PL3との各交点にそれぞれ接続されている。そして、全てのワード線WL0〜WL3、ビット線BL0〜BL3、およびプレート線PL0〜PL3は、メモリセルアレイMCAの周辺部において図示しない制御回路に接続される。例えば、ワード線WL0〜WL3はメモリセルアレイMCAにおける図中の左方にて図示しないワード線制御回路に接続される。また、ビット線BL0〜BL3は図中の上方にて図示しないビット線制御回路に接続される。同様に、プレート線PL0〜PL3は図中の上方にて図示しないプレート線制御回路に接続される。   Each memory cell MC is connected to each intersection of word lines WL0 to WL3, bit lines BL0 to BL3, and plate lines PL0 to PL3. All word lines WL0 to WL3, bit lines BL0 to BL3, and plate lines PL0 to PL3 are connected to a control circuit (not shown) in the periphery of the memory cell array MCA. For example, the word lines WL0 to WL3 are connected to a word line control circuit (not shown) on the left side of the figure in the memory cell array MCA. The bit lines BL0 to BL3 are connected to a bit line control circuit (not shown) in the upper part of the drawing. Similarly, the plate lines PL0 to PL3 are connected to a plate line control circuit (not shown) at the top in the drawing.

各制御回路は、ワード線WL、ビット線BL、プレート線PLに適宜電圧を印加して、所望のメモリセルMCを高抵抗状態または低抵抗状態にすることで書込みを行う。もしくは、ビット線BLまたはプレート線PLに流れる電流を検知して、所望のメモリセルMCが高抵抗状態か低抵抗状態かを判断することで読出しを行う。   Each control circuit performs writing by appropriately applying a voltage to the word line WL, the bit line BL, and the plate line PL to bring a desired memory cell MC into a high resistance state or a low resistance state. Alternatively, reading is performed by detecting a current flowing through the bit line BL or the plate line PL and determining whether a desired memory cell MC is in a high resistance state or a low resistance state.

例えば、点線の円で囲ったメモリセルMCをOn状態とする書き込みでは、ワード線WL1とプレート線PL1を高電位とし、それ以外のワード線WL0、WL2、WL3、およびプレート線PL0、PL2、PL3と、全てのビット線BL0〜BL3をゼロ電位とすればよい。逆に、点線の円で囲ったメモリセルMCをOff状態とする書き込みでは、ワード線WL1とビット線BL1を高電位とし、それ以外のワード線WL0、WL2、WL3、およびビット線BL0、BL2、BL3と、全てのプレート線PL0〜PL3をゼロ電位とすればよい。   For example, in writing to turn on the memory cell MC surrounded by a dotted circle, the word line WL1 and the plate line PL1 are set to a high potential, and the other word lines WL0, WL2, WL3, and plate lines PL0, PL2, PL3. All the bit lines BL0 to BL3 may be set to zero potential. On the other hand, in writing to turn off the memory cell MC surrounded by the dotted circle, the word line WL1 and the bit line BL1 are set to a high potential, and the other word lines WL0, WL2, WL3, and the bit lines BL0, BL2, BL3 and all the plate lines PL0 to PL3 may be set to zero potential.

また、点線の円で囲ったメモリセルMCがOn状態かOff状態かを読み出すには、ワード線WL1とプレート線PL1以外のワード線WL0、WL2、WL3、およびプレート線PL0、PL2、PL3と、全てのビット線BL0〜BL3をゼロ電位とし、ワード線WL1を高電位とする。そして、プレート線PL1に書込み時より十分低い電圧を印加して、ビット線BL1またはプレート線PL1に流れる電流を検出すればよい。   In addition, in order to read whether the memory cell MC surrounded by the dotted circle is in the On state or the Off state, the word lines WL0, WL2, WL3 other than the word line WL1 and the plate line PL1, and the plate lines PL0, PL2, PL3, All the bit lines BL0 to BL3 are set to zero potential, and the word line WL1 is set to high potential. Then, a voltage sufficiently lower than that at the time of writing may be applied to the plate line PL1, and the current flowing through the bit line BL1 or the plate line PL1 may be detected.

以上の動作において、ワード線WL1以外に接続されたメモリセルMCでは、選択トランジスタTRが非導通となって抵抗変化素子VRに電圧は印加されない。また、ビット線BL1およびプレート線PL1以外に接続されたメモリセルMCでは、ビット線BL0、BL2、BL3とプレート線PL0、PL2、PL3とが同電位となるため抵抗変化素子VRに電圧は印加されない。これにより、点線の円で囲ったメモリセルMCのみが書き込まれ、あるいは読み出される。他のメモリセルMCに対する書込みや読出しにおいても同様の手法で書込みや読出しが可能である。   In the above operation, in the memory cell MC connected to other than the word line WL1, the selection transistor TR becomes non-conductive and no voltage is applied to the resistance change element VR. Further, in the memory cell MC connected to other than the bit line BL1 and the plate line PL1, no voltage is applied to the resistance change element VR because the bit lines BL0, BL2, BL3 and the plate lines PL0, PL2, PL3 have the same potential. . As a result, only the memory cell MC surrounded by the dotted circle is written or read. In writing and reading to other memory cells MC, writing and reading can be performed by the same method.

図4は、メモリセルMCをOn状態とする書込みおよびOff状態とする書込みを行う際のそれぞれの通常の印加電圧の波形例を示した図である。図2に示したメモリセルMCの抵抗変化素子VRを低抵抗状態(On状態)とするためには、抵抗変化素子VRのプレート線PL側にビット線BL側より高い電圧を印加するが、通常は図4の左側に示すようにパルス状に1回印加する。そのためには、例えば、プレート線PL側の電位をビット線BLの電位より高い状態とした上で(図4の例では、PL側をVon、BL側をゼロ電位としている)、所定の期間、ワード線WLの電位を高めて選択トランジスタTRを導通させればよい。もしくは、ワード線WLの電位を高めて選択トランジスタTRを導通させた状態で、プレート線PLとビット線BLとの間にプレート線PL側を正電位とするパルス電圧を印加すればよい。   FIG. 4 is a diagram showing waveform examples of normal applied voltages at the time of performing writing to turn on and turn off the memory cell MC. In order to set the resistance change element VR of the memory cell MC shown in FIG. 2 to a low resistance state (On state), a voltage higher than that on the bit line BL side is applied to the plate line PL side of the resistance change element VR. Is applied once in the form of a pulse as shown on the left side of FIG. For this purpose, for example, after the potential on the plate line PL side is higher than the potential on the bit line BL (in the example of FIG. 4, the PL side is set to Von and the BL side is set to zero potential), a predetermined period, The selection transistor TR may be made conductive by increasing the potential of the word line WL. Alternatively, a pulse voltage having a positive potential on the plate line PL side may be applied between the plate line PL and the bit line BL in a state where the potential of the word line WL is increased to make the selection transistor TR conductive.

逆に、抵抗変化素子VRを高抵抗状態(Off状態)とするためには、抵抗変化素子VRのビット線BL側にプレート線PL側より高い電圧を図4の右側に示すようにパルス状に1回印加する(上記のOn状態とするパルスとは印加する電圧が逆極性であることから、逆方向のパルスとして示す)。そのためには、例えば、ビット線BL側の電位をプレート線PLの電位より高い状態とした上で(図4の例では、ビット線BL側をVoff、プレート線PL側をゼロ電位としている)、所定の期間、ワード線WLの電位を高めて選択トランジスタTRを導通させればよい。もしくは、ワード線WLの電位を高めて選択トランジスタTRを導通させた状態で、ビット線BLとプレート線PLとの間にビット線BL側を正電位とするパルス電圧を印加すればよい。   Conversely, in order to set the resistance change element VR to the high resistance state (off state), a voltage higher than the plate line PL side on the bit line BL side of the resistance change element VR is pulsed as shown on the right side of FIG. It is applied once (shown as a pulse in the reverse direction since the applied voltage has a reverse polarity with respect to the pulse for turning on). For this purpose, for example, the potential on the bit line BL side is set higher than the potential on the plate line PL (in the example of FIG. 4, the bit line BL side is set to Voff and the plate line PL side is set to zero potential). For a predetermined period, the selection transistor TR may be turned on by increasing the potential of the word line WL. Alternatively, a pulse voltage having a positive potential on the bit line BL side may be applied between the bit line BL and the plate line PL in a state where the potential of the word line WL is increased to make the selection transistor TR conductive.

図5は、実施の形態1におけるメモリセルMCをOn状態とする書込みおよびOff状態とする書込みを行う際のそれぞれの印加電圧の波形例を示した図である。図5の例において、右側のOff書込みの印加波形の例は、図4に示した通常のものと同じである。なお、図5の例では、Off書込みの際の通常の印加電圧をVoff1とし、印加時間をToff1とすることを示している。   FIG. 5 is a diagram illustrating waveform examples of applied voltages when writing to set the memory cell MC in the On state and writing to set the Off state in the first embodiment. In the example of FIG. 5, the example of the applied waveform for the right off writing is the same as the normal one shown in FIG. 4. In the example of FIG. 5, it is shown that the normal applied voltage at the time of Off writing is Voff1, and the application time is Toff1.

左側のOn書込みの印加波形の例では、図4に示したものと異なり、通常のOn書込みパルス(以下では「Main pulse」、「主パルス」などと記載する場合がある)を印加する前に、主パルスと同極性で、かつパルス幅が短いOnパルス(以下では「Trial pulse」、「試行パルス」などと記載する場合がある)を印加し、さらにその後、Onパルスとは逆極性のパルス(以下では「Recovery pulse」、「リセットパルス」などと記載する場合がある)を印加するシーケンスをとる。   In the example of the left On-write applied waveform, unlike the example shown in FIG. 4, before applying a normal On-write pulse (hereinafter sometimes referred to as “Main pulse”, “main pulse”, etc.). Apply an On pulse having the same polarity as the main pulse and a short pulse width (hereinafter sometimes referred to as “Trial pulse”, “trial pulse”, etc.), and then a pulse having the opposite polarity to the On pulse. (Hereinafter, it may be described as “Recovery pulse”, “Reset pulse”, etc.).

ここで、図中の試行パルスの印加時間(パルス幅)Ton2は、主パルスにおける印加時間Ton1よりも短いものとする。すなわち、Ton2<Ton1の関係を有する。また、試行パルスの印加電圧Von2は、主パルスにおける印加電圧Von1と同じかこれより大きいものとする。すなわち、|Von2|≧|Von1|の関係を有する。さらに、リセットパルスの印加時間Toff2は、右側の図の通常のOff書込みパルスにおける印加時間Toff1よりも短いものとする。すなわち、Toff2<Toff1の関係を有する。また、リセットパルスの印加電圧Voff2は、通常のOff書込みパルスにおける印加電圧Voff1よりも小さいものとする。すなわち、|Voff2|<|Voff1|の関係を有する。   Here, the application time (pulse width) Ton2 of the trial pulse in the drawing is shorter than the application time Ton1 of the main pulse. That is, it has a relationship of Ton2 <Ton1. Further, the applied voltage Von2 of the trial pulse is the same as or larger than the applied voltage Von1 of the main pulse. That is, there is a relationship of | Von2 | ≧ | Von1 |. Furthermore, it is assumed that the reset pulse application time Toff2 is shorter than the application time Toff1 in the normal Off write pulse in the right diagram. That is, there is a relationship of Toff2 <Toff1. The applied voltage Voff2 of the reset pulse is smaller than the applied voltage Voff1 in the normal off write pulse. That is, there is a relationship of | Voff2 | <| Voff1 |.

図6は、実施の形態1における書込みおよび読込みのシーケンスの具体例を示した図である。ここでは、On書込みのシーケンスにおいて、2.5V/2usの主パルス(Main pulse)を印加する前に、まず、主パルスと同極性で、パルス幅が100nsと短い試行パルス(Trial pulse)を印加し、さらに主パルスとは逆極性の1.5V/20nsのリセットパルス(Recovery pulse)を印加していることを示している。また、Off書込みパルスは2.5V/100nsであり、読込み(Read)パルスの印加電圧は0.5Vであることを示している。   FIG. 6 is a diagram showing a specific example of the writing and reading sequences in the first embodiment. Here, before applying the main pulse (Main pulse) of 2.5 V / 2 us in the on-write sequence, first, a trial pulse (Trial pulse) having the same polarity as the main pulse and a short pulse width of 100 ns is applied. Further, it is shown that a 1.5 V / 20 ns reset pulse (Recovery pulse) having a polarity opposite to that of the main pulse is applied. The Off write pulse is 2.5 V / 100 ns, and the applied voltage of the read pulse is 0.5 V.

図7は、本実施の形態におけるOn書込み方式による場合と従来方式による場合のOn抵抗とOff抵抗の分布状況の例を示した図である。ここでは、図6に示したOn書込みシーケンスと、従来方式による主パルスのみ印加するOn書込みのそれぞれについて、2Mbメモリセルアレイで評価したOn抵抗値とOff抵抗値の累積度数分布を示している。図示するように、本実施の形態におけるOn書込みシーケンスをとった場合でも、従来方式の場合と概ね同様の抵抗分布が得られている。すなわち、同程度のメモリウィンドウ(On抵抗とOff抵抗の比)が得られている。   FIG. 7 is a diagram showing an example of the distribution state of the On resistance and the Off resistance in the case of using the On writing method and the conventional method in the present embodiment. Here, the cumulative frequency distribution of the On resistance value and the Off resistance value evaluated in the 2 Mb memory cell array is shown for each of the On write sequence shown in FIG. 6 and the On write in which only the main pulse is applied according to the conventional method. As shown in the figure, even when the on-write sequence in the present embodiment is taken, the same resistance distribution as in the conventional method is obtained. That is, a similar memory window (ratio of On resistance to Off resistance) is obtained.

図8は、本実施の形態におけるOn書込み方式による場合と従来方式による場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。ここでは、図6に示したOn書込みシーケンスと、従来方式による主パルスのみ印加するOn書込みのそれぞれについて、2Mbメモリセルアレイで評価したOn状態の200℃における保持不良の時間依存性を示している。なお、On抵抗が30kΩを超えたビットを保持不良ビットとしている。図8からは、本実施の形態におけるOn書込み方式により、On状態の保持特性が向上することが分かる。すなわち、図7の内容も併せて考慮すると、本実施の形態によるOn書込み方式により、メモリウィンドウに影響を及ぼすことなくOn状態の保持特性が向上することが分かる。   FIG. 8 is a diagram showing an example of on-state retention characteristics in the case of using the on-write method and the conventional method in the present embodiment. Here, the time dependency of retention failure at 200 ° C. in the On state evaluated by the 2 Mb memory cell array is shown for each of the On write sequence shown in FIG. 6 and On write in which only the main pulse is applied according to the conventional method. A bit whose On resistance exceeds 30 kΩ is regarded as a defective holding bit. From FIG. 8, it can be seen that the on-state retention characteristic is improved by the on-write method in the present embodiment. That is, considering the contents of FIG. 7 together, it can be seen that the on-state retention characteristic is improved without affecting the memory window by the on-write method according to the present embodiment.

図9は、本実施の形態におけるOn書込み方式において試行パルスと主パルスのパルス幅を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。ここでは、上段の図に示したようなOn書込みシーケンスにおいて、試行パルス(Trial pulse)の幅(Tpl1)と、主パルス(Main pulse)の幅(Tpl2)の和(Tpl1+Tpl2)を変化させたときの、2Mbメモリセルアレイで評価したOn状態の200℃における保持不良ビット率を下段のグラフに示している。なお、上述した図8の場合と同様に、On抵抗が30kΩを超えたビットを保持不良ビットとしている。   FIG. 9 is a diagram showing an example of on-state retention characteristics when the pulse widths of the trial pulse and the main pulse are changed in the on-writing method according to the present embodiment. Here, in the on-write sequence as shown in the upper diagram, when the sum (Tpl1 + Tpl2) of the trial pulse (Trial pulse) width (Tpl1) and the main pulse (Main pulse) width (Tpl2) is changed The retention failure bit rate at 200 ° C. in the On state evaluated in the 2Mb memory cell array is shown in the lower graph. As in the case of FIG. 8 described above, a bit whose On resistance exceeds 30 kΩ is regarded as a defective holding bit.

図9では、主パルスの幅であるTpl2を0.5us、1.0us、2.0usの3種類とし、それぞれに対して試行パルスの幅であるTpl1を変化させたときの保持不良ビット率のTpl1依存性を示している。また、リファレンス(ref.)として主パルスのみを単独で印加した場合のパルス幅(Tpl2)に対する保持不良ビット率も併せて示している。   In FIG. 9, Tpl2 that is the width of the main pulse is set to three types of 0.5 us, 1.0 us, and 2.0 us, and the retention defective bit rate when Tpl1 that is the width of the trial pulse is changed for each of them. Tpl1 dependence is shown. Further, the retention defective bit rate with respect to the pulse width (Tpl2) when only the main pulse is applied alone as a reference (ref.) Is also shown.

図9からは、Tpl2依存性について、主パルスを0.5usまで短くするとOn状態の保持不良ビット率は増加するが、Tpl2が1.0us程度までは、短時間化してもOn状態の保持不良ビット率は増加しないことが分かる。また、Tpl2が1.0us程度までであれば、保持不良ビット率のTpl1依存性は小さく(Tpl1が変化しても保持不良ビット率はあまり変化しない)、Tpl1を10nsまで短くすることができることが分かる。   From FIG. 9, regarding the Tpl2 dependency, if the main pulse is shortened to 0.5 us, the On state retention failure bit rate increases. However, until Tpl2 is about 1.0 us, the On state retention failure occurs even if the time is shortened. It can be seen that the bit rate does not increase. If Tpl2 is up to about 1.0 us, the dependency of the retention failure bit rate on Tpl1 is small (the retention failure bit rate does not change much even if Tpl1 changes), and Tpl1 can be shortened to 10 ns. I understand.

これを従来方式のリファレンス(ref.)と比較すると、リファレンスではTpl2を短くすると保持不良ビット率が増大する(例えば、1.5usまで短くすると0.01を超えてしまう)。これに対し、本実施の形態のOn書込み方式では、主パルスのTpl2を1usまで短くしても、On状態の保持不良ビット率を0.002〜0.003程度に低く抑えることができる。すなわち、単一の主パルス(On書込みパルス)を印加する従来方式に比べて短いパルス幅で保持不良ビット率を低減させることができ、On書込み時に要するエネルギーを低減させることができる。   When this is compared with the reference (ref.) Of the conventional method, in the reference, the retention defective bit rate increases when Tpl2 is shortened (for example, when it is shortened to 1.5 us, it exceeds 0.01). On the other hand, in the on-write method of the present embodiment, even if the main pulse Tpl2 is shortened to 1 us, the on-state retention defective bit rate can be suppressed to about 0.002 to 0.003. That is, the retention defective bit rate can be reduced with a shorter pulse width compared to the conventional method in which a single main pulse (On write pulse) is applied, and the energy required for On write can be reduced.

以上に示したように、実施の形態1のReRAMによれば、上述したようなOn書込みのシーケンスをとることで、メモリウィンドウに影響を及ぼすことなくOn状態の保持特性を向上させることができる。また、単一の主パルス(On書込みパルス)を印加する従来方式に比べてOn書込み時に要するエネルギーを低減させる、すなわち低消費電力でのOn書込みを可能とすることができる。   As described above, according to the ReRAM of the first embodiment, the on-state retention characteristic can be improved without affecting the memory window by taking the above-described on-write sequence. Further, compared to the conventional method in which a single main pulse (On write pulse) is applied, the energy required for On write can be reduced, that is, On write with low power consumption can be achieved.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記の実施の形態1のReRAMにおけるOn書込みシーケンスにおいて、試行パルス(Trial pulse)の印加電圧(Vpl1)を好適化する。図10は、本実施の形態におけるOn書込み方式において試行パルスの電圧を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。ここでは、試行パルスの幅であるTpl1を20ns、100nsの2種類とし、それぞれに対して試行パルスの電圧(Vpl1)を1.8V、2.2V、2.5Vと変化させたときの、2Mbメモリセルアレイで評価したOn状態の200℃における保持不良ビット率のVpl1依存性を示している。なお、上述した図8、図9の場合と同様に、On抵抗が30kΩを超えたビットを保持不良ビットとしている。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the application voltage (Vpl1) of the trial pulse is optimized in the On write sequence in the ReRAM of the first embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an on state retention characteristic when the trial pulse voltage is changed in the on write method according to the present embodiment. Here, Tpl1, which is the width of the trial pulse, is 2 ns of 20 ns and 100 ns, and the trial pulse voltage (Vpl1) is changed to 1.8 V, 2.2 V, and 2.5 V for 2 Mb, respectively. The Vpl1 dependency of the retention failure bit rate at 200 ° C. in the On state evaluated by the memory cell array is shown. As in the case of FIGS. 8 and 9 described above, a bit having an On resistance exceeding 30 kΩ is regarded as a defective retention bit.

図10に示すように、Tpl1が20nsの場合も100nsの場合も、Vpl1の値が高いほどOn状態の保持不良ビット率が低下し、保持特性が向上していることが分かる。よって、試行パルスは、上述の実施の形態1で示したように主パルスよりも幅が短い(短時間である)ことが望ましいのに加えて、高電圧であることが望ましい。   As shown in FIG. 10, it can be seen that, in both cases where Tpl1 is 20 ns and 100 ns, the higher the value of Vpl1, the lower the retention defective bit rate in the On state, and the better the retention characteristics. Therefore, in addition to the trial pulse desirably having a shorter width (shorter time) than the main pulse as described in the first embodiment, it is desirable that the trial pulse has a high voltage.

これまでに示したように、本実施の形態のOn書込みシーケンスでは、主パルスよりも前に試行パルスとリセットパルスを加えることでOn状態の保持特性が向上していることから、このようなパルスシーケンスにはOn状態の保持不良を抑制する効果があることは明確である。そこで、以下では、試行パルスが高電圧であることが望ましい理由について考察を加える。   As described above, in the on-write sequence of the present embodiment, since the on-state retention characteristics are improved by adding the trial pulse and the reset pulse before the main pulse, such a pulse is used. It is clear that the sequence has the effect of suppressing the On state retention failure. Therefore, in the following, the reason why it is desirable that the trial pulse is a high voltage will be considered.

図11は、実施の形態2における抵抗変化素子VRの動作および効果の例について概要を示した図である。図中では、図1に示したような抵抗変化素子VRの構造において、上から順に、試行パルス→リセットパルス→主パルスを印加した場合の、抵抗変化層VRL中に形成される導電性フィラメントFIの状態の例を示している。   FIG. 11 is a diagram showing an outline of an example of the operation and effect of the resistance change element VR in the second embodiment. In the figure, in the structure of the resistance change element VR as shown in FIG. 1, the conductive filament FI formed in the resistance change layer VRL when the trial pulse → the reset pulse → the main pulse is applied in order from the top. An example of the state is shown.

導電性フィラメントFIは、酸素が欠損した欠陥(酸素空孔(Vo))が高密度に集合した状態によって形成される。導電性フィラメントFIが金属層M1と金属層M2とを連結する状態(例えば、図11の上段もしくは下段の図等)になると抵抗変化素子VRは低抵抗状態(On状態)となる。一方、導電性フィラメントFIが金属層M1と金属層M2とを完全には連結しない(間にギャップが存在する)状態(例えば、図11の中段の図等)になると抵抗変化素子VRは高抵抗状態となる。   The conductive filament FI is formed by a state in which defects lacking oxygen (oxygen vacancies (Vo)) are gathered at a high density. When the conductive filament FI is in a state of connecting the metal layer M1 and the metal layer M2 (for example, the upper or lower diagram in FIG. 11), the resistance change element VR is in a low resistance state (On state). On the other hand, when the conductive filament FI does not completely connect the metal layer M1 and the metal layer M2 (there is a gap between them) (for example, the middle diagram in FIG. 11), the resistance change element VR has a high resistance. It becomes a state.

従来方式のように、On書込みにおいて通常の主パルスを1回印加するのみでは、導電性フィラメントFIが例えば図11の上段の図のように細い、もしくは酸素空孔の密度が低い状態となり、On状態の保持特性が悪い状態(保持不良)となる場合がある。   As in the conventional method, when the normal main pulse is applied only once in the on-writing, the conductive filament FI is thin, for example, as shown in the upper diagram of FIG. 11, or the density of oxygen vacancies is low. There are cases where the state holding characteristics are poor (holding failure).

このような場合において、本実施の形態では、試行パルスの印加によって図11の上段の図にように導電性フィラメントFIが繋がった直後の状態に対して、いったん逆極性のリセットパルスを加えて高抵抗状態を形成する。これにより、その後主パルスを印加した際に、高抵抗化部(導電性フィラメントFIのギャップ部分)に主パルスによる電界が集中的に印加されることになり、その結果、図11の下段の図に示すように、径が太い、もしくは酸素空孔の密度が高い導電性フィラメントFIが形成されるものと考えられる。そして、この良い状態(高密度)で形成された導電性フィラメントFIによりOn状態の保持特性が向上するものと考えられる。   In such a case, in the present embodiment, a reset pulse having a reverse polarity is once applied to the state immediately after the conductive filament FI is connected as shown in the upper diagram of FIG. Form a resistance state. As a result, when the main pulse is subsequently applied, the electric field due to the main pulse is intensively applied to the high resistance portion (gap portion of the conductive filament FI), and as a result, the lower diagram of FIG. It is considered that the conductive filament FI having a large diameter or a high density of oxygen vacancies is formed as shown in FIG. And it is thought that the holding | maintenance characteristic of an On state improves with the conductive filament FI formed in this good state (high density).

図12は、試行パルスの条件を変えた場合の抵抗変化素子VRの動作および効果の例について概要を示した図である。図12(a)は、試行パルスのパルス幅を長くした場合の例を示している。この場合、図12(a)の上段の図に示すように、On状態での保持不良となりやすい悪い状態(低密度)で形成された導電性フィラメントFIであっても、試行パルスのパルス幅を長くして長時間印加することで導電性フィラメントFIが横方向(すなわち、金属層M1と金属層M2が相対する方向に対して直交する方向)に成長する。   FIG. 12 is a diagram showing an outline of an example of the operation and effect of the resistance change element VR when the trial pulse condition is changed. FIG. 12A shows an example in which the pulse width of the trial pulse is increased. In this case, as shown in the upper diagram of FIG. 12 (a), even if the conductive filament FI is formed in a bad state (low density), which is likely to be a holding failure in the On state, the pulse width of the trial pulse is reduced. The conductive filament FI grows in the lateral direction (that is, the direction orthogonal to the direction in which the metal layer M1 and the metal layer M2 face each other) by applying the electrode for a long time for a long time.

これにより、その後にリセットパルスを印加しても、図12(a)の中段の図に示すように、導電性フィラメントFIが完全には切れずに残存した状態となりやすい。この場合、その後に主パルスを印加しても高抵抗化部に十分な電界が発生せず、結果として図12(a)の下段の図に示すように、細いもしくは低密度の導電性フィラメントFIが形成され易くなるものと考えられる。   As a result, even if a reset pulse is applied thereafter, the conductive filament FI tends to remain without being completely cut, as shown in the middle diagram of FIG. In this case, even if a main pulse is applied thereafter, a sufficient electric field is not generated in the high resistance portion, and as a result, as shown in the lower diagram of FIG. It is considered that is easily formed.

一方、図12(b)は、試行パルスの電圧を低くした場合の例を示している。この場合、図12(b)の上段の図に示すように、試行パルスの印加後に導電性フィラメントFIが繋がった状態となる確率が低下する。すなわち、試行パルスの印加後も導電性フィラメントFIが繋がらない高抵抗状態(Off状態)のビットが多数存在することになる。   On the other hand, FIG. 12B shows an example in which the trial pulse voltage is lowered. In this case, as shown in the upper diagram of FIG. 12B, the probability that the conductive filament FI is connected after application of the trial pulse is lowered. That is, there are many bits in the high resistance state (off state) where the conductive filament FI is not connected even after the trial pulse is applied.

本実施の形態のOn書込みのシーケンスは、導電性フィラメントFIが繋がった直後の状態に対してリセットパルスを印加することで、導電性フィラメントFIに電流を流し、そのジュール熱による酸素と酸素空孔との反応により導電性フィラメントFIを切断していったん高抵抗状態を形成することが要点であると考えられる。そうすると、図12(b)の上段の図に示すように、導電性フィラメントFIが繋がっていない状態でリセットパルスを印加しても、電流が流れないことから電界が生じることによる効果のみにとどまり、図12(b)の中段の図に示すように上段の図の状態から導電性フィラメントFIはあまり変化せず、図11に示したようにいったん高抵抗状態にリセットすることによる効果を得ることができない。   In the on-write sequence of the present embodiment, a reset pulse is applied to the state immediately after the conductive filament FI is connected, so that a current flows through the conductive filament FI, and oxygen and oxygen vacancies due to the Joule heat. It is considered that the high resistance state is once formed by cutting the conductive filament FI by the reaction with. Then, as shown in the upper diagram of FIG. 12B, even if the reset pulse is applied in a state where the conductive filament FI is not connected, the current does not flow, so that only the effect caused by the electric field is generated, As shown in the middle diagram of FIG. 12B, the conductive filament FI does not change much from the state of the upper diagram, and the effect of once resetting to the high resistance state as shown in FIG. 11 can be obtained. Can not.

したがって、その後に主パルスを印加しても、図12(b)の下段の図に示すように、細いもしくは低密度の導電性フィラメントFIが形成される確率が高くなるものと考えられる。以上より、本実施の形態のOn書込みシーケンスにおいて、試行パルスとしては、主パルスよりもパルス幅が短い(短時間である)ことが望ましく、また、主パルスよりも高電圧であることが望ましいと考えられる。   Therefore, it is considered that even if the main pulse is applied thereafter, the probability that a thin or low-density conductive filament FI is formed increases as shown in the lower diagram of FIG. As described above, in the on-write sequence of the present embodiment, the trial pulse desirably has a shorter pulse width (shorter time) than the main pulse, and preferably has a higher voltage than the main pulse. Conceivable.

以上に示したように、実施の形態2のReRAMによれば、上述したようなOn書込みのシーケンスにおいて、主パルスに比べて試行パルスのパルス幅を短くし、また、高電圧とする。これにより、試行パルス印加後の導電性フィラメントFIの拡大(横方向への広がり)を抑制し、また、導電性フィラメントFIの接続確率を向上させ、On状態の保持不良となる要因を効果的に修復可能とすることで保持特性をさらに向上させることができる。   As described above, according to the ReRAM of the second embodiment, the pulse width of the trial pulse is made shorter and higher than the main pulse in the on-write sequence as described above. This suppresses the expansion (transverse in the lateral direction) of the conductive filament FI after applying the trial pulse, improves the connection probability of the conductive filament FI, and effectively causes the on-state retention failure. Holding characteristics can be further improved by making the repair possible.

(実施の形態3)
図13は、実施の形態3におけるOn書込み方式のシーケンスと、試行パルスおよびリセットパルスの繰り返し回数を変化させた場合のOn状態の保持特性の例を示した図である。図13の上段の図に示すように、本実施の形態では、実施の形態1、2において示したOn書込みシーケンスの変形例として、On書込みの際に試行パルスとリセットパルスのセットをn回(n≧2)繰り返して印加し、その後に主パルスを印加するものとしている。
(Embodiment 3)
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an on-state retention characteristic when the on-write method sequence according to the third embodiment and the number of repetitions of the trial pulse and the reset pulse are changed. As shown in the upper diagram of FIG. 13, in this embodiment, as a modified example of the On write sequence shown in Embodiments 1 and 2, a set of trial pulses and reset pulses is set n times ( n ≧ 2) It is assumed that the main pulse is applied after applying repeatedly.

図13の下段の図では、上記のシーケンスにおいて試行パルスとリセットパルスのセットを印加する際の繰り返し回数を変化させた場合の、On状態の200℃における保持不良率の繰り返し回数依存性を示している。これによれば、試行パルスとリセットパルスのセットを印加する際の繰り返し回数が増えるに従って、On状態の保持不良率が低減することが分かる。   The lower diagram in FIG. 13 shows the dependency of the retention failure rate in the On state at 200 ° C. on the number of repetitions when the number of repetitions when applying the set of trial pulse and reset pulse in the above sequence is changed. Yes. According to this, it can be seen that the on-state retention failure rate decreases as the number of repetitions when applying the set of trial pulses and reset pulses increases.

以上に示したように、実施の形態3のReRAMによれば、実施の形態1、2に示したようなOn書込みのシーケンスにおいて、試行パルスとリセットパルスのセットを複数回繰り返し印加することで、さらにOn状態の保持特性を向上させることができる。   As described above, according to the ReRAM of the third embodiment, in the on-write sequence as shown in the first and second embodiments, by repeatedly applying a set of trial pulses and reset pulses multiple times, Furthermore, the on-state retention characteristics can be improved.

(実施の形態4)
図14は、実施の形態4におけるOn書込み方式のシーケンスの例を示した図である。本実施の形態では、実施の形態1〜3に示したようなOn書込みシーケンスに対して、いわゆるベリファイ(Verify)書込みを組み合わせる。すなわち、実施の形態1〜3に示したようなOn書込みシーケンスによりOn書込みを行った後に、読取り(Read)パルスを印加して正しく書き込まれたか否かをチェックし、書込みが成功していないビット(十分に低抵抗化しなかったビット)に対して追加書込みを行うことで、書込み成功率を向上させる。
(Embodiment 4)
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an on-write method sequence according to the fourth embodiment. In the present embodiment, so-called verify writing is combined with the on-write sequence as shown in the first to third embodiments. That is, after performing an on-write by the on-write sequence as shown in the first to third embodiments, a read (Read) pulse is applied to check whether or not the write has been performed correctly, and the bit is not successfully written By performing additional writing on (bits that have not been sufficiently reduced in resistance), the writing success rate is improved.

ベリファイを実施する際のシーケンスは特に限定されず、各種のベリファイ方式を適宜用いることができる。例えば、図示しないが、読取りパルスを印加して書込み状況を検証した後に、実施の形態1〜3に示したようなOn書込みシーケンス、すなわち試行パルスとリセットパルスのセットをn回(n≧1)印加し、その後に主パルスを印加するシーケンスによって追加書込みを行う上書きベリファイを、書込みが成功するか所定の回数に達するまで繰り返し行うようにすることができる。もしくは、図14の上段の図に示すように、読取りパルスを印加して書込み状況を検証した後に、主パルスのみを印加して追加書込みを行う上書きベリファイや、図14の下段の図に示すように、リセットパルスと主パルスのセットを印加する「揺さぶり」ベリファイを繰り返し行うようにしてもよい。   The sequence for performing verification is not particularly limited, and various verification methods can be used as appropriate. For example, although not shown, after applying the read pulse to verify the write state, the On write sequence as shown in the first to third embodiments, that is, the set of the trial pulse and the reset pulse is performed n times (n ≧ 1). It is possible to repeatedly perform overwriting verification in which additional writing is performed according to a sequence in which the main pulse is applied after that until the writing is successful or a predetermined number of times is reached. Alternatively, as shown in the upper diagram of FIG. 14, after verifying the write state by applying the read pulse, overwrite verification in which additional writing is performed by applying only the main pulse, as shown in the lower diagram of FIG. 14. In addition, “swaying” verification in which a set of a reset pulse and a main pulse is applied may be repeatedly performed.

以上に示したように、実施の形態4のReRAMによれば、実施の形態1〜3に示したようなOn書込みシーケンスにベリファイ書込みを組み合わせることで、On書込みの成功率を向上させることができる。図14の上段の図に示したような主パルスのみの上書きベリファイに比べて、図14の下段の図に示したようなリセットパルスと主パルスによる「揺さぶり」ベリファイとすることで、導電性フィラメントFIのリセット効果によるOn状態の安定化により、保持特性の改善効果をより一層期待することができる。   As described above, according to the ReRAM of the fourth embodiment, the success rate of the on-write can be improved by combining the verify write with the on-write sequence as shown in the first to third embodiments. . Compared with the overwriting verification of only the main pulse as shown in the upper diagram of FIG. 14, the “swing” verification by the reset pulse and the main pulse as shown in the lower diagram of FIG. By stabilizing the On state by the FI reset effect, it is possible to further expect the improvement effect of the retention characteristics.

(実施の形態5)
図15は、実施の形態5におけるOn書込みおよびOff書込みを行う際のそれぞれの印加電圧の波形例を示した図である。図15の例において、左側のOn書込みのシーケンスの例は、実施の形態1の図5に示したものと同様である。一方で、本実施の形態では、右側のOff書込みにおいて、図5に示した通常のOff書込みパルスを印加した後に、さらにOff状態安定化パルスを印加する。ここで、Off状態安定化パルスの印加電圧Voff3は、通常のOff書込みパルスにおける印加電圧Voff1よりも小さいものとする。すなわち、|Voff3|<|Voff1|の関係を有する。
(Embodiment 5)
FIG. 15 is a diagram illustrating examples of waveforms of applied voltages when performing on-writing and off-writing in the fifth embodiment. In the example of FIG. 15, the example of the left on-write sequence is the same as that shown in FIG. 5 of the first embodiment. On the other hand, in the present embodiment, in the right off writing, the normal off write pulse shown in FIG. 5 is applied and then the off state stabilization pulse is further applied. Here, it is assumed that the applied voltage Voff3 of the off-state stabilization pulse is smaller than the applied voltage Voff1 of the normal off write pulse. That is, there is a relationship of | Voff3 | <| Voff1 |.

通常のOff書込みパルスの印加後にOff状態安定化パルス(弱Offパルス)を印加することで、書き込み後のOff状態が安定する。安定化したOff状態に対して実施の形態1〜4に示したようなOn書込みシーケンスを行うことで、On書込みを効果的に行うことができ、On状態の保持特性を向上させることができる。なお、Off状態安定化パルスは、図15に示したように、通常のOff書込みパルスを印加した直後に印加してもよいし、通常のOff書込みパルスの印加の後、次に実施の形態1〜4に示したようなOn書込みシーケンスを行う直前に印加してもよい。   By applying an off state stabilization pulse (weak off pulse) after application of a normal off write pulse, the off state after writing is stabilized. By performing the On write sequence as shown in Embodiments 1 to 4 on the stabilized Off state, the On write can be effectively performed, and the holding property of the On state can be improved. As shown in FIG. 15, the off-state stabilization pulse may be applied immediately after the normal off write pulse is applied, or after the normal off write pulse is applied, the first embodiment is applied. It may be applied immediately before the On write sequence as shown in FIG.

以上に示したように、実施の形態5のReRAMによれば、Off書込みの後、次のOn書込みがされるまでの間にOff状態安定化パルスを印加することで、安定化したOff状態を形成する。この安定化したOff状態に対して上述の実施の形態1〜4に示したようなOn書込みシーケンスを行うことで、On書込みを効果的に行うことができ、On状態の保持特性を向上させることができる。   As described above, according to the ReRAM of the fifth embodiment, after the Off write, the Off state stabilization pulse is applied before the next On write is performed, thereby stabilizing the Off state. Form. By performing the on-write sequence as shown in the first to fourth embodiments with respect to the stabilized off state, it is possible to effectively perform the on-write and improve the on-state retention characteristics. Can do.

(実施の形態6)
本実施の形態では、上述の実施の形態1〜5において示したようなOn書込みのシーケンスを適用する際により大きな効果を得ることができる抵抗変化素子VRの素子構造の例を示す。実施の形態1〜5において示したようなOn書込み方式は、On状態での安定性を高める書込み技術に関するものである。したがって、On状態が不安定化し易い構造、換言すれば、On状態よりも相対的にOff状態の方が安定化し易い構造を有する抵抗変化素子VRに対して適用した場合に顕著な効果を得ることができる。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, an example of the element structure of the resistance change element VR that can obtain a greater effect when the on-write sequence as described in the first to fifth embodiments is applied will be described. The on-write method as shown in the first to fifth embodiments relates to a write technique that improves the stability in the on state. Therefore, a remarkable effect can be obtained when applied to a variable resistance element VR having a structure in which the On state is likely to become unstable, in other words, the structure in which the Off state is relatively more stable than the On state. Can do.

図16は、実施の形態6における抵抗変化素子VRの構造および動作の例について概要を示した図である。図16の左側の図では、On書込み、すなわち、ビット線BL側の電極(金属層M1)の電位Vblをゼロとし、プレート線側の電極(金属層M2)に正電圧Vplを印加したときの抵抗変化素子VRの状況について示している。   FIG. 16 is a diagram schematically showing an example of the structure and operation of resistance change element VR according to the sixth embodiment. In the diagram on the left side of FIG. 16, On writing, that is, when the potential Vbl of the electrode (metal layer M1) on the bit line BL side is set to zero and the positive voltage Vpl is applied to the electrode (metal layer M2) on the plate line side. The situation of the resistance change element VR is shown.

On状態が不安定化し易い構造となる要因としては、例えば、抵抗変化素子VRの初期抵抗が低く、電極間で電流が漏洩し易い(“leaky”な)状態である場合が考えられる。なお、本実施の形態では、初期抵抗が「低い」とは、ReRAMのディメンジョンにも依存するが、例えば、抵抗変化層VRLの抵抗率が1e6Ω・cm以下を指すものとする。この場合に実施の形態1〜5において示したようなOn書込み方式を適用することで顕著な効果を得ることができる。   As a cause of the structure in which the On state is easily destabilized, for example, a case where the initial resistance of the resistance change element VR is low and a current easily leaks between the electrodes (“leaky”) can be considered. In this embodiment, “low” initial resistance depends on the dimensions of the ReRAM. For example, the resistivity of the resistance change layer VRL indicates 1e6 Ω · cm or less. In this case, a remarkable effect can be obtained by applying the on write method as shown in the first to fifth embodiments.

初期抵抗が低い場合、電流の導通経路(パス)を形成するフォーミング時およびOn書込み時に、図16の左側上段の図に示すように、電流パス(図中では矢印で示す)が複数存在してしまうことから、導電性フィラメントFIを形成すべき箇所に十分な電流が供給されずに、酸素空孔Vo(図中の白丸)の密度が低い導電性フィラメントFIが形成され易い状態となる。   When the initial resistance is low, there are a plurality of current paths (indicated by arrows in the figure) as shown in the upper left diagram of FIG. 16 at the time of forming and on-writing to form a current conduction path (path). Therefore, a sufficient current is not supplied to the portion where the conductive filament FI is to be formed, and the conductive filament FI having a low density of oxygen vacancies Vo (white circles in the drawing) is easily formed.

抵抗変化素子VRの初期抵抗が低い場合として、例えば、フォーミング前の初期状態において、抵抗変化層VRL中に酸素空孔Voが予め導入されている場合が考えられる。具体的には、例えば、金属層M2(すなわち、On書込み時に正電圧が印加される側の電極)に、抵抗変化層VRLから酸素を引き抜く効果のある金属が含まれる構造である場合が挙げられる。金属層M2が抵抗変化層VRLから酸素を引き抜く効果を有するか否かは、金属層M2に用いられる材料と、抵抗変化層VRLの材料の物性によって決定される。すなわち、金属層M2に用いられる材料の方が抵抗変化層VRLの材料より酸素と反応し易い特性を有する場合には、金属層M2が抵抗変化層VRLから酸素を引き抜く効果を有することになる。   As a case where the initial resistance of the resistance change element VR is low, for example, a case where the oxygen vacancies Vo are introduced in advance in the resistance change layer VRL in the initial state before forming is considered. Specifically, for example, there is a case where the metal layer M2 (that is, the electrode to which a positive voltage is applied during On writing) includes a metal that has an effect of extracting oxygen from the resistance change layer VRL. . Whether or not the metal layer M2 has an effect of extracting oxygen from the resistance change layer VRL is determined by the material used for the metal layer M2 and the physical properties of the material of the resistance change layer VRL. That is, when the material used for the metal layer M2 has a characteristic that it is more likely to react with oxygen than the material of the resistance change layer VRL, the metal layer M2 has an effect of extracting oxygen from the resistance change layer VRL.

一方、図16の右側の図では、Off書込み、すなわち、プレート線PL側の電極(金属層M2)の電位Vplをゼロとし、ビット線側の電極(金属層M1)に正電圧Vblを印加したときの抵抗変化素子VRの状況について示している。   On the other hand, in the diagram on the right side of FIG. 16, Off writing, that is, the potential Vpl of the electrode (metal layer M2) on the plate line PL side is set to zero, and the positive voltage Vbl is applied to the electrode (metal layer M1) on the bit line side. The situation of the variable resistance element VR is shown.

Off状態の方が安定化しやすい構造としては、具体的には、例えば、金属層M1(すなわち、Off書込み時に正電圧が印加される側の電極)を形成する材料が、ルテニウムや白金、金、イリジウムなどの酸素と反応しない貴金属である場合が挙げられる。このような構造の場合、Off書込みを行うと、抵抗変化層VRLの金属層M1との界面付近に酸素O(図中の黒丸)が蓄積され易くなる。この状態からOn書込みを行った場合、これらの酸素Oと導電性フィラメントFI中の酸素空孔Voとが反応して酸素空孔Voが消滅してしまい、導電性フィラメントFIが細いもしくは低密度となり易く、On状態が不安定化する要因となるものと考えられる。したがって、このような構造を有する場合にも、実施の形態1〜5において示したようなOn書込み方式を適用することで顕著な効果を得ることができる。   Specifically, as a structure in which the Off state is more easily stabilized, for example, the material forming the metal layer M1 (that is, the electrode on the side to which a positive voltage is applied during Off writing) is ruthenium, platinum, gold, Examples include noble metals that do not react with oxygen, such as iridium. In such a structure, when Off writing is performed, oxygen O (black circles in the figure) is likely to be accumulated near the interface between the resistance change layer VRL and the metal layer M1. When On writing is performed from this state, these oxygen O reacts with the oxygen vacancies Vo in the conductive filament FI and the oxygen vacancies Vo disappear, and the conductive filament FI becomes thin or has a low density. It is easy to cause the On state to become unstable. Therefore, even in the case of such a structure, a remarkable effect can be obtained by applying the on-writing method as shown in the first to fifth embodiments.

以上に示したように、実施の形態6のReRAMによれば、On状態が不安定化し易い構造、換言すれば、On状態よりも相対的にOff状態の方が安定化し易い構造を有する抵抗変化素子VRに対して実施の形態1〜5に示したようなOn書込み方式を適用することで、On状態を安定化させる効果をより顕著に得ることができる。   As described above, according to the ReRAM of the sixth embodiment, the resistance change has a structure in which the On state is easily destabilized, in other words, a structure in which the Off state is relatively more stable than the On state. By applying the On writing method as shown in Embodiment Modes 1 to 5 to the element VR, the effect of stabilizing the On state can be obtained more remarkably.

(実施の形態7)
上述した実施の形態1〜6では、図2に示したように、1ビットの情報を格納するメモリセルMCが1個の抵抗変化素子VRと1個の選択トランジスタTRからなる構成を例として説明したが、各実施の形態で説明した手法は、いわゆるクロスポイント型の構成のReRAMにも適用することができる。
(Embodiment 7)
In the first to sixth embodiments described above, as shown in FIG. 2, a configuration in which the memory cell MC storing 1-bit information includes one resistance change element VR and one selection transistor TR will be described as an example. However, the method described in each embodiment can be applied to a ReRAM having a so-called cross-point configuration.

図17は、クロスポイント型ReRAMのメモリセルの構成例について概要を示した図である。図示するように、抵抗変化素子VRは、スイッチを介さずにワード線WLおよびビット線BLと接続されている。なお、抵抗変化素子VRと直列に非線形抵抗素子NLRが接続されていることが望ましい。抵抗変化素子VRにおける金属層M1と金属層M2のうち、いずれをビット線BLに接続するかは特に限定されないが、以下では、金属層M1がビット線BLと接続されているものとして説明する。   FIG. 17 is a diagram showing an outline of a configuration example of a memory cell of a cross-point type ReRAM. As illustrated, the resistance change element VR is connected to the word line WL and the bit line BL without going through a switch. It is desirable that the non-linear resistance element NLR is connected in series with the resistance change element VR. Which of the metal layer M1 and the metal layer M2 in the resistance change element VR is connected to the bit line BL is not particularly limited, but the following description will be made assuming that the metal layer M1 is connected to the bit line BL.

図18は、クロスポイント型ReRAMにおけるメモリセルアレイの構成例について概要を示した図である。メモリセルアレイMCAは、図17に示したメモリセルMCをマトリクス状に配置することで構成することができる。図18に示したメモリセルアレイMCAの例では、4行×4列のマトリクスからなる16ビットの記憶容量を有する構成であるが、アレイの行や列を適宜増やすことによってより大きな記憶容量を実現することができる。   FIG. 18 is a diagram showing an outline of a configuration example of the memory cell array in the cross-point type ReRAM. The memory cell array MCA can be configured by arranging the memory cells MC shown in FIG. 17 in a matrix. The example of the memory cell array MCA shown in FIG. 18 has a 16-bit storage capacity composed of a matrix of 4 rows × 4 columns, but a larger storage capacity is realized by appropriately increasing the number of rows and columns in the array. be able to.

各メモリセルMCは、ワード線WL0〜WL3と、ビット線BL0〜BL3との各交点にそれぞれ接続されている。そして、全てのワード線WL0〜WL3、およびビット線BL0〜BL3は、メモリセルアレイMCAの周辺部において図示しない制御回路に接続される。例えば、ワード線WL0〜WL3はメモリセルアレイMCAにおける図中の左方にて図示しないワード線制御回路に接続される。また、ビット線BL0〜BL3は図中の上方にて図示しないビット線制御回路に接続される。   Each memory cell MC is connected to each intersection of the word lines WL0 to WL3 and the bit lines BL0 to BL3. All word lines WL0 to WL3 and bit lines BL0 to BL3 are connected to a control circuit (not shown) at the periphery of the memory cell array MCA. For example, the word lines WL0 to WL3 are connected to a word line control circuit (not shown) on the left side of the figure in the memory cell array MCA. The bit lines BL0 to BL3 are connected to a bit line control circuit (not shown) in the upper part of the drawing.

各制御回路は、ビット線、ワード線に適宜電圧を印加して、所望のメモリセルMCを高抵抗状態または低抵抗状態にすることで書込みを行う。もしくは、ビット線またはワード線に流れる電流を検知して、所望のメモリセルが高抵抗状態か低抵抗状態かを判断することで読出しを行う。   Each control circuit performs writing by appropriately applying a voltage to the bit line and the word line to bring a desired memory cell MC into a high resistance state or a low resistance state. Alternatively, reading is performed by detecting a current flowing through a bit line or a word line and determining whether a desired memory cell is in a high resistance state or a low resistance state.

例えば、点線の円で囲ったメモリセルMCをOn状態とする書き込みでは、ワード線WL1を高電位とし、ビット線BL1をゼロ電位とするとともに、それ以外のワード線WL0、WL2、WL3、およびビット線BL0、BL2、BL3を高電位の1/2とすればよい。逆に、点線の円で囲ったメモリセルMCをOff状態とする書き込みでは、ワード線WL1をゼロ電位とし、ビット線BL1を高電位とするとともに、それ以外のワード線WL0、WL2、WL3、およびビット線BL0、BL2、BL3を高電位の1/2とすればよい。   For example, in writing to turn on the memory cell MC surrounded by a dotted circle, the word line WL1 is set to a high potential, the bit line BL1 is set to a zero potential, and other word lines WL0, WL2, WL3, and bits The lines BL0, BL2, and BL3 may be set to ½ of the high potential. On the other hand, in writing in which the memory cell MC surrounded by a dotted circle is turned off, the word line WL1 is set to zero potential, the bit line BL1 is set to high potential, and the other word lines WL0, WL2, WL3, and The bit lines BL0, BL2, and BL3 may be set to ½ of the high potential.

また、点線の円で囲ったメモリセルMCがOn状態かOff状態かを読み出すには、ビット線BL1をゼロ電位とし、それ以外のビット線BL0、BL2、BL3、および全てのワード線WL0〜WL3を高電位(ただし書込み時より十分低い)として、ワード線WL1に流れる電流を検出すればよい。   In addition, in order to read whether the memory cell MC surrounded by the dotted circle is on or off, the bit line BL1 is set to zero potential, the other bit lines BL0, BL2, BL3, and all the word lines WL0 to WL3. Is set to a high potential (but sufficiently lower than that at the time of writing), and the current flowing through the word line WL1 may be detected.

以上の動作により、ワード線WL1およびビット線BL1に接続されたメモリセルMCにのみ両端に高電位が印加され、それ以外のメモリセルMCでは高電位の1/2もしくはゼロ電位が印加される。これにより、点線の円で囲ったメモリセルMCのみが書き込まれ、あるいは読み出される。他のメモリセルMCに対する書込みや読出しを行う場合も同様である。   As a result of the above operation, a high potential is applied to both ends only to the memory cells MC connected to the word line WL1 and the bit line BL1, and a ½ or zero potential of the high potential is applied to the other memory cells MC. As a result, only the memory cell MC surrounded by the dotted circle is written or read. The same applies when writing to or reading from other memory cells MC.

なお、図17に示したメモリセルMC中の非線形抵抗素子NLRは、両端の電位差が小さいときは高抵抗、電位差が大きい時は低抵抗となる特性を有する。従って、図18において点線の円で囲ったメモリセルMCとビット線BL1もしくはワード線WL1を共有する他のメモリセルMC、すなわち、高電位の1/2の電圧が印加される可能性があるメモリセルMCにおいて、抵抗変化素子VRにかかる電圧を低減し、誤書込みや誤読出しを防止する機能を有する。   Note that the non-linear resistance element NLR in the memory cell MC shown in FIG. 17 has a characteristic of high resistance when the potential difference between both ends is small and low resistance when the potential difference is large. Therefore, in FIG. 18, the memory cell MC surrounded by the dotted circle and the other memory cell MC sharing the bit line BL1 or the word line WL1, that is, a memory to which a voltage having a half of the high potential may be applied. The cell MC has a function of reducing the voltage applied to the resistance change element VR and preventing erroneous writing and erroneous reading.

以上に説明したようなクロスポイント型ReRAMであっても上述の実施の形態1〜6で示した手法を適用することができ、所定のメモリセルMCにおいて、On書込みの際に、最初に短時間のOnパルスを印加した後、Off書込みの際のパルスと同極性(すなわち、Onパルスとは逆極性)で、絶対値の小さいパルスを印加し、その後、より長時間のOnパルスを印加するシーケンスをとることで、メモリウィンドウを確保しつつ、On状態の保持特性を向上させることができる。   Even with the cross-point type ReRAM as described above, the method described in the first to sixth embodiments can be applied, and in a predetermined memory cell MC, the first time is short for the on-writing. After applying the On pulse, apply a pulse having the same polarity as that of the off write pulse (ie, opposite polarity to the On pulse) and a small absolute value, and then applying a longer On pulse. By taking the above, it is possible to improve the on-state retention characteristics while securing the memory window.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

VR 抵抗変化素子
M1、M2 金属層
VRL 抵抗変化層
MC メモリセル
WL ワード線
BL ビット線
PL プレート線
TR 選択トランジスタ
MCA メモリセルアレイ
FI 導電性フィラメント
NLR 非線形抵抗素子
VR resistance change element M1, M2 metal layer VRL resistance change layer MC memory cell WL word line BL bit line PL plate line TR selection transistor MCA memory cell array FI conductive filament NLR nonlinear resistance element

Claims (7)

抵抗変化素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルに対して、前記メモリセルの状態を前記抵抗変化素子の抵抗値が第1の基準値未満である第1の抵抗状態とするために第1の書込みパルスを印加する第1の書込み処理と、第2の基準値以上である第2の抵抗状態とするために前記第1の書込みパルスと逆極性の第2の書込みパルスを印加する第2の書込み処理と、を行うことが可能な制御回路と、を有し、
前記制御回路は、前記第1の書込み処理において、前記メモリセルに対して前記第1の書込みパルスを印加する前に、前記第1の書込みパルスと同極性で、前記第1の書込みパルスよりパルス幅が短い第1のパルスと、前記第2の書込みパルスと同極性の第2のパルスと、をこの順で印加し、さらに、
前記第1の書込み処理の後、前記抵抗変化素子が前記第1の抵抗状態もしくは前記第2の抵抗状態のいずれであるかを読み出す読取りパルスを印加し、前記メモリセルが前記第1の抵抗状態ではない場合に、前記メモリセルに対して前記第2のパルスを印加した上で再度前記第1の書込みパルスを印加し、その後再度前記読取りパルスを印加して前記抵抗変化素子が前記第1の抵抗状態もしくは前記第2の抵抗状態のいずれであるかを読み出すベリファイ処理を行う、半導体記憶装置。
A memory cell including a resistance change element;
A first write for applying a first write pulse to the memory cell in order to change the state of the memory cell to a first resistance state in which the resistance value of the variable resistance element is less than a first reference value. It is possible to perform a process and a second write process in which a second write pulse having a polarity opposite to that of the first write pulse is applied to obtain a second resistance state that is equal to or greater than a second reference value. A control circuit,
The control circuit has the same polarity as the first write pulse and a pulse from the first write pulse before applying the first write pulse to the memory cell in the first write process. A first pulse having a short width and a second pulse having the same polarity as the second write pulse are applied in this order ;
After the first write process, a read pulse is applied to read out whether the variable resistance element is in the first resistance state or the second resistance state, and the memory cell is in the first resistance state. If not, the second pulse is applied to the memory cell, the first write pulse is applied again, and then the read pulse is applied again so that the resistance change element A semiconductor memory device that performs a verify process for reading out whether the resistance state or the second resistance state .
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記制御回路は、前記第1の書込み処理において、前記メモリセルに対して前記第1の書込みパルスを印加する前に、前記第1のパルスと前記第2のパルスのセットを複数回印加する、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The control circuit applies the set of the first pulse and the second pulse a plurality of times before applying the first write pulse to the memory cell in the first write process. Semiconductor memory device.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記第1のパルスの電圧は、前記第1の書込みパルスの電圧以上である、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The semiconductor memory device, wherein the voltage of the first pulse is equal to or higher than the voltage of the first write pulse.
請求項に記載の半導体記憶装置において、
前記制御回路は、前記ベリファイ処理を、前記抵抗変化素子が前記第1の抵抗状態となるまで、もしくは予め設定された所定の上限回数に達するまで繰り返す、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1 ,
The control circuit repeats the verify process until the variable resistance element is in the first resistance state or until a predetermined upper limit number is reached.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記制御回路は、前記第2の書込み処理において、前記メモリセルに対して前記第2の書込みパルスを印加した後、次に前記第1の書込み処理が行われるまでの間に、前記第2の書込みパルスと同極性で、前記第2の書込みパルスより電圧が小さい第3のパルスを印加する、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
In the second write process, the control circuit applies the second write pulse to the memory cell and then performs the second write process until the first write process is performed next. A semiconductor memory device that applies a third pulse having the same polarity as an address pulse and having a voltage lower than that of the second address pulse.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記抵抗変化素子を形成する抵抗変化層を挟む2つの電極のうち、前記第1の書込み処理を行う際に正電圧が印加される側の電極を構成する第1の金属層は、前記抵抗変化層を形成する材料よりも酸素と反応しやすい特性を有する金属を含んで形成されている、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
Of the two electrodes sandwiching the variable resistance layer forming the variable resistance element, the first metal layer constituting the electrode to which a positive voltage is applied when the first write process is performed is the variable resistance A semiconductor memory device including a metal having a property of being more easily reacted with oxygen than a material forming a layer.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記抵抗変化素子を形成する抵抗変化層を挟む2つの電極のうち、前記第2の書込み処理を行う際に正電圧が印加される側の電極を構成する第2の金属層は、所定の貴金属を含んで形成されている、半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
Of the two electrodes sandwiching the variable resistance layer forming the variable resistance element, the second metal layer constituting the electrode to which a positive voltage is applied when performing the second write processing is a predetermined noble metal. A semiconductor memory device formed including the semiconductor device.
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